第4章特种性能铸铁

1、第四章 特种性能铸铁,铸造合金及熔炼,第四章 特种性能铸铁（1学时） 第一节 减摩铸铁 第二节 冷硬铸铁 第三节 抗磨铸铁 第四节 耐热铸铁 第五节 耐腐蚀铸铁,本章重点：常用特种性能铸铁的性能特点和用途。,第一节 减摩铸铁,一、石墨对铸铁减旅性的影响,二、基体组织对铸铁减摩性的影响,三、常用的减魔铸铁,（一）含磷铸铁,在硬度相同条件下，各种组织的耐磨性：FPMB.,含磷铸铁一般指磷含量高于 0 . 30 的灰铸铁。,磷共晶硬度较高（ 600800HV) ，以断续网状分布在金属基体中，且不易剥落，对提高铸铁的耐磨性有利。,（二）钒钛铸铁,是利用我国西南地区丰富的钒钛共生铁矿资源，开发出的一种铸

2、铁。钒钛生铁中，一般含0.3 %0.5%V ，含Ti0.15%0.35。这两种元素形成高硬度的碳化物和氮化物质点，显微硬度可达9601840。弥散分布在基体中，可使铸铁的耐磨性大大提高。,（三）硼铸铁,第二节 冷硬铸铁,冷硬铸铁是通过一定的工艺方法，使铸件激冷层的组织形成白口或麻口，铸件内部组织仍保持灰口的铸铁，因此，冷硬铸铁具有“外硬内韧”的特点，其外表具有高的耐磨性，同时又能承受较高的工作应力而不断裂，常用于轧辊，凸轮轴和犁桦的制造。,一、冷硬铸铁的化学成分和组织特点,冷硬铸铁的化学成分：2.9%3.8%C, 0.25%0. 8%Si，0.2%0.7%Mn，P0.5%，S0.12% ，与普

3、通灰铸铁相比，含硅量 低。由此看出，冷硬铸铁白口深度可以通过调整硅量完成,增加白口层深度的方向依次为：WMnMoCrSnV S B Te（最强）； 减小白口层深度的方向依次为： CSiTiNiCuCo P （最弱 ） 。,影响白口层硬度的趋势依次按 C Nb P Mn Cr Mo V Si AI Cu Ti S 的次序减弱。,冷硬铸铁的组织，可分成两到三个明显的区城：最外层为白口区紧挨白口区的为麻口区，内层则为灰口区。有的冷硬铸铁只有麻门区和灰口区。,冷硬铸铁激冷层组织：普通冷硬铸铁激冷层组织，由珠光体和共晶碳化物组成 ； 低合金冷硬铸铁激冷层组织，主要由索氏体和少量贝氏体，加共晶碳化物组成。

4、,麻口冷硬铸铁根据化学成分分成三类：普通麻口冷硬铸铁，合金麻口冷硬铸铁和高合金麻口冷硬铸铁。组织与白口冷硬铸铁相比不同的是，铸件从外层到内层都含有石墨。,二、冷硬铸铁的获得与性能特点,冷硬铸铁件的生产工艺，主要有两种：一种是在铸件需要激冷部位放置蓄热系数大的铸型，如金属型或石墨型；另一种是采用复合铸造的方法，先浇入一种成分的金属液，隔一定的时间，再浇入另外一种成分的金属液，两种金属通过冶金结合形成一个整体。如轧辊生产。,对激冷层质量影响大的工艺参数有：,（1） 炉料性质 炉料中白口铸铁的比例增加，铸件的白口深度亦会增加，如表 4-5 所示。,（2）熔炼工艺增加铁液过热度及延长铁液在高温时的保持

5、时间，都能使铁液形核能力降低，白口层深度增加，如表 4-6 所示。,浇注温度也影响白口层深度。其规律为：随浇注温度提高，白口深度减小，因为浇注温度提高时，铸型预热充分，共晶凝固期间结晶速度减慢。,( 3 ）铸型工艺 冷铁厚度是影响白口层深度的主要因素。生产中一般取冷铁厚度与铸件璧厚的比例为 124 ，铸件壁厚小时，取下限，铸件壁厚大时，取上限。,C、Si对白口层深度的影响见图4-5和图4-6。,麻口冷硬铸铁的显微组织。,激冷层中含有渗碳和石墨，与白口冷硬铸铁相比，韧性好，承受热冲击性能好，工作中不易发生龟裂和剥落。图 4-7 是含石墨高铬铸铁的组织，图中白色区域为（ Cr、Fe）7C 3形碳化

6、物，图 4-7a 中的石墨呈片状，而图 4-7b 中为球状石墨。,由图可见，普通高铬祷铁的裂纹萌生期长，一定循环次数后有失稳扩展现象，而含石墨的高铬铸铁，裂纹萌生相对容易，但在试验范围内 ，随循环周次的增加，裂纹扩展速率是减小的，未出现失稳扩展现象，这一试验证明，麻 冷硬铸铁热冲击性能要好于白口冷硬铸铁。,麻口冷硬铸铁激冷层硬度虽随距轧辊表面距离加大有所降低，但硬度梯度平缓，与白口硬铸铁有较大区别，如图 4 -9。,三、冷硬铸铁的应用,冶金用轧辊、造纸，像胶、榨油、制粉、制糖、棉纺、毛纺等行业使用的轧辊。,冷硬铸铁轧辊的铸造方法，目前有三种：一体铸造、溢流铸造和离心铸造。,1、冶金类轧辊,2、

7、内燃机气门挺柱和凸轮轴,3、农用犁铧、犁镜,第三节 抗磨铸铁,用于抵杭磨料磨损的铸铁，一般叫抗磨铸铁。,一、普通白口铸铁,化学成分：具有高碳低硅的特点。 2.2%3.6%C，Si1.0%，Mn1.0%。,性能：低碳白口铸铁（2.5C）的硬度约为 375HBS，而含碳量（3.6 以上）高时，其硬度将增至 600HBW,组织：珠光体渗碳体。,所谓镍硬白口铸铁，主要指含镍铬的白口铸铁。,二、镍硬白口铸铁,应用：抗磨料磨损的场合。如冶金轧辊，球磨机及辊磨机衬板、磨球，平盘磨辊套， E 型磨磨环，杂质泵过流件、灰渣输送管道等。,化学成分：镍硬白口铸铁的化学成分，如表 4-13 所示,铸态组织：共晶碳化物

8、+马氏体。,三、铬系白口铸铁,组织特点：基体+碳化物 基体：一般以珠光体或马氏体使用。 碳化物：随铬的增加而变化 M3C(1001230HV)M7C3 (13001800HV)M23C6(1400HV),一般 M 3c 型碳化物为连续网状或板状形貌（如图 -19所示）,图 4-20高铬铸铁中碳化物形貌 a), b)含铬15% 高铬铸铁的碳化物形貌，大部分为M7C3型碳化物 c ）d )含铬27 %高铬 铸铁的碳化物形貌，大部分为M23c6碳化物,a,b,c,d,（一）低铬白口铸铁,为扩大普通白口铸铁的应用范围，提高其韧性与耐磨性，在普通白口铸铁中加入 1.0%50%Cr，就形成了低铬铸铁。,低

9、铬铸铁一般以珠光体+合金碳化物状态使用。碳化物形貌也有所改善。,低铬铸铁主要应用于球磨机磨球，磨球硬度可在 400550HBW 内变动。见表4-15。,（二）中铬白口铸铁,为取代镍硬 IV 型铸铁，我国发展出了一种含铬 7 % 11 的中铬白口铸铁，其中完全不含镍。铸铁中碳化物为 M7C3 和 M3C混合的形式，其耐磨性和韧性介于高铬铸铁和低铬铸铁之间。组织如图4-21。珠光体+碳化物。,（三）高铬白口铸铁,含铬量在 12 %28 之间的白口铸铁就是高铬白口铸铁。抗拉强度可高达 3100MPa。组织：P+M7C3或M+M7C3。,表4-15 球磨机用低铬铸铁磨球的耐磨性（ASM）,表4-16中

10、铬白口铸铁与镍硬 铸铁的力学性能对比,图4-21中铬白口铸铁的金相组织,15Cr-3Mo铸铁的基体组织对磨损失重的影响：,铁素体 70200HV 珠光体 300460HV 奥氏体 300600HV 马氏体5001000HV,表4-17 15Cr-3Mo铸铁的基体组织对磨损失重的影响,图4-22高铬铸铁空淬能淬透 的最大直径与铬碳比 及铝含量的关系,1 高铬白口铸铁的化学成分,碳化物数量可以用下式来估算,铬与碳的比值 C / Cr影响铸铁中M7C3 型碳化物的相对数量。一般 Cr / C 大于 5 就能获得大部分的M7C3 型碳化物；同时铬碳比越高，铸铁的淬透性也增加图 4-22 表示了铬碳比与

11、工件最大淬透直径的关系。,表4-18常用高铬铸铁成分,2 高铬白口铸铁的铸造工艺,高铬白口铸铁铸造性能特点：热导率低、收缩性大、塑性差、切削性能差。,白口铸铁的铸造工艺：采用冒口和冷铁，遵守顺序凝固，模型缩尺可取 2 % 。冒口尺寸按碳钢设计，浇注系统横截面积比灰铸铁增加2030%。冒口宜用侧冒口或易割冒口。,高铬白口铸铁的熔炼：电炉。,浇注温度：不要太高，一般比液相线温度高 55，小件可为 138 01420 ，厚 100mm 以上的铸件可更低些，在 13501400 。,3 高铬白口铸铁的热处理,淬火时的冷却是连续冷却过程，可用连续冷却转变曲线（ CCT 曲线）来描述高铬铸铁的转变规律。图

12、 4 -23 和图 4-24 是两种典型高铬铸铁的连续冷却转变曲线。F.Moratray 等人通过大量的模拟试验，得出了空淬时不出现珠光体的最大直径 D,图4-23 15Cr-3M。高铬白口铸铁的连续冷却转变曲线 铸铁成分：C2. 51 % , Cr14. 70 % , Mo2. 62% , SiO. 47 % , MnO. 80 % TA一奥氏体化温度Ac1,一加热时共析温度的下限，圆圈中数字为HV硬度值%,图4-24 15Cr-2Mo-1Cu高铬白口铸铁的连续冷却转变曲线 铸铁成分：C3. 32Yo% Cr14.63%，Mot. 08%。Cul. 02% S10.58%. MnO.72%

13、tA一奥氏体化时间,图4-25碳对高铬铸铁抗弯强度6bb、抗 拉强度b和挠度f的影响 a) 200回火 b)淬火及200回火 成分：Si：0. 6 Mn：0. 8% Cr：12;一14% ，Mo：l. 5%,4 高铬白口铸铁的力学性能,高铬铸铁的力学性能指标主要有：硬度、韧性和强度。影响这些指标的主要因素无非是碳化物类型与数量，以及基体类型。 影响碳化物数量的主要因素是铸铁的含碳量。由表 4-19 可见，当铬量不变时，随含碳量的增加，硬度增加，而断裂韧性降低。图4-25则表明增加碳含量使强度性能降低。,表1-19 碳对高铬白口铸铁（Cr15%)硬度和断裂韧性的影响,图4-26 碳化物体积占23

14、一25 %时，Cr/C对 白口铸铁KIc的影响,图 4-26 为碳化物含量基本相同时， Cr / C 对铸铁断裂韧性 KIC的影响。在 Cr/C 低时，提高 Cr / C 将改善碳化物形态，使 KIC显著提高；但当 CrC高时，再提高 Cr / C ，碳化物形态改变不大，只是提高了基体固溶强化程度，使KIC有所降低.,图1-27 铬对白口铸铁强度性能的影响 成分：C2. 73. 1 %, Cr0. 0731.1 %,5、高铬白口铸铁的应用,表4-20 是几种耐磨材料对矿石浆的抗磨性对比。表 4-21 是几种材料在湿磨钼矿石条件下制成65mm 磨球时实际抗磨性对比。由此两表都能很清楚地看出，高铬

15、白口铸铁的耐磨性，在几种被试验的材料中都是最好的。,基体组织可有三种状态：马氏体基体、珠光体基体和奥民体荃体，水泥行业中，马氏体基体磨球使用效果最佳。奥氏体基体磨球主要适用于湿磨工况。,球磨机中的衬板也可采用高铬铸铁材质。,表4-20各种材料对矿石浆的抗磨性对比,表4-22 直径4.l m X 12. 5m球磨机衬板的化学成分和力学性能,表4-21 65mm磨球磨钼矿时抗磨性对比,表4-23高铬铸铁应用一览表,第四节 耐热铸铁,表4-24耐热铸铁的耐热性分级,一般把金属从表面开始逐渐向非金属化合物变化的现象统称为金属的氧化。另一方面金属在高温下工作，其体积还将发生不可逆的胀大，这种现象称作金属

16、在高温下的生长。,耐热铸铁可分为三类：含硅耐热铸铁，含铝耐热铸铁和含铬耐热铸铁。,把铸铁在某一温度下经 100h 加热后的生长小于0. 2 % , 平均氧化速度小于0. 5g/m2h的温度称为这种铸铁的耐热温度。,一、铸铁在高温下的氧化,（一）氧化过程,1）氧原子在铁表面形成化学吸附。 2）受 F e-O 化学反应速度控制的氧化过程。 3）受扩散速度控制的氧化过程。,（二）影响铸铁氧化的因素,影响铸铁氧化的主要因素有氧化膜的性质、合金元素以及基体和石墨特征。,1 氧化膜性质的影响,（1）、氧化膜具有保护性的具必要条件是：毕林一彼得沃尔斯（ Pilling-Bedworth）比1。PB比为氧化时

17、所生成的金属氧化膜体积与生成这些氧化膜所消耗的金属体积的比。即,表4-25某些金属氧化膜的PB比,（2）、氧化膜晶格完好导电率低。,表4-26 某些金属氧化物在1000 时的电导率,2 合金元素的影响,合金元素应符合下列条件：,（1）合金元素氧化物的 PB 比大干 1 且具有低的电导率； （2）合金元素对氧的亲和力大于铁； （3）合金元素的氧化物能单独存在。 用这些条件衡量，防止氧化最有效的元素还是铝、硅、铬等。,3 铸铁组织对铸铁氧化的影响,球状石墨比片状石墨抗氧化，蠕虫状石墨的抗氧化趋势，介于球状石墨和片状石墨之间。如表 4-27。,表4-27 球化率对铸铁氧化及生长的影响,防止铸铁氧化的

18、主要措施是： 加入合金元素铝、硅、铬等，以形成连续致密的能防止离子扩散的层下氧化膜；采用孕育处理，使共晶团及石墨细化；适当降低碳量，以减少石墨数量；采用球墨铸铁等。,二、铸铁在高温下的生长,铸铁在不同的工作温度的不同生长过程及主要的预防措施：,（一）低于相变（ ）温度时的生长,低温生长发生在 400-600范围内，生长机理是珠光体分解为铁素体和石墨。,防止措施：1、使铸铁在使用温度下全部为铁素体基体； 2、加入增加珠光体稳定性的合金元素或降低硅含量，阻止受热时珠光体的分解，可加入铬、锡等元素。如加入0.5%1.5的铬足以使珠光体在 600时难以分解。,（二）在相变温度范围时的生长,原因：铸铁在

19、加热时转变为，由于石墨不断地溶入体内，在原石墨处就会留下微观空洞；而在冷却时中又不断地析出石墨，此石墨沿原空洞处析出的可能性又很小，结果再次造成因石墨析出而发生体积膨胀是一种灾难性生长。,防止措施： 1、提高铸铁的相变温度，使零件的工作温度低于铸铁相变温度； 2、调整工作温度，使铸铁的工作温度范围处于单相组织状态。,（三）高于相变温度时的生长,原因：高温氧化占主导地位。 防止措施：防止氧化。,表4-28耐热铸铁牌号、成分、性能（GB9437-88）,三、常用的耐热铸铁,图4-28不同含硅量的球铁，加热 到900 C，重复加热次数对生长的影响,（一）中硅耐热铸铁,中硅铸铁的牌号有：中硅灰铸铁 R

20、TSi5 、中硅球墨铸铁 RQTSi4 、 RQTSi5 和含钼的中硅球墨铁 RQTSi4Mo。,用途：常用在不受冲击和温度低于 800-900的锅炉炉栅、横梁、换热器、节气阀等零件上。,图4-29含硅量对铸铁耐热性的影响,表4-29硅对铸铁临界转变温度的影响,表4-30普通灰铁和中硅铸铁耐热性能,中硅铸铁的铸造工艺特点： 1 ）流动性好，可以浇注薄壁复杂铸件； 2 ）线收缩较大，约为 1.01.4% ，易产生较大的铸造应力和冷裂； 3 ）铁液易氧化浇注系统开设要使铁流平稳，快速充填，一般采用半封闭式浇注系统，注意撇渣和飞溅，并设置排渣冒口，以消除氧化夹杂； 4）铁液易产生石墨漂浮，故应控制含

21、碳量，使碳当量不超过共晶碳当量。 总之，中硅铸铁所需合金元素来源充分，价格低廉，力学性能和耐热性能均较高，是一种很有前途的耐热材料,图4-30 铝对铸铁石墨化的影响,（二） 含铝耐热铸铁,含铝耐热铸铁有两类：即低铝耐热铸铁 RQTAI4Si4 、 RQTAI5Si5和高铝耐热铸铁 RQTAl22。,Al的作用：5%以上可获得单一铁素体组织，消除了珠光体分解造成的体积生长；提高相变温度，每增加 1 的含铝量可使 A 1点升高 50 。,耐热温度： 1100 。,铬与硅、铝一样，也能在铸铁表面形成良好的 Cr2O3保护膜。含铬耐热铸铁中，可分成低铬耐热铸铁 RTCr、 RTCr2 和高铬耐热铸铁

22、RTCr16 。低铬耐热铸铁的组织与普通灰铸铁相同，为片状石墨珠光体基体而高铬耐热铸铁组织与前一节高铬耐磨铸铁组织相同，为 M7C3 型碳化物和奥氏体组织，但如铸铁含碳量较高和铸件壁厚较大，基体中有可能出现珠光体，这对铸铁的抗生长性是极为不利的，因此要加以避免。,（三）含铬耐热铸铁,第五节 耐腐蚀铸铁,图4-31铸铁的电化学 腐蚀原理,表4-31铸铁中加入合金元素的需要量（）,所谓腐蚀是指金属表面受周围介质的化学及电化学作对而破坏的过程。,金属腐蚀可分为四大类：化学腐蚀、电化学腐蚀、在机械因素作用下的腐蚀和生物腐蚀。,一、提高铸铁耐腐蚀性的途径,提高铸铁的耐腐蚀性主要靠加入合金元素，以得到有利

23、的组织和形成良好的保护膜。,至于石墨形状，球状优于蠕虫状，蠕虫状又优于片状。,合金元素的作用：,l ）改变某些相在腐蚀剂中的电位，降低原电池的电动势，使耐腐蚀性能提高。,2 ）改善铸铁组织，使基体组织，石墨大小、形状和分布得到改善，进而减少原电池数量，及减小电动势,3 ）在铸铁表皮层下形成一层致密、牢固的保护膜，如SiO2、AI2O3、Cr2O3 膜都具有很好的保护性。,二、常用的耐腐蚀铸铁,（一）高硅耐腐蚀铸铁,高硅铸铁牌号：一种为 STSi-15 ，其化学成分是 C0.5%1.0%，Si14.515.75 % , Mn0.5% , P0.10%, S0.06 % ；另一种为： STSi-17 ，化学成分是： C0.35%0.8% ,Si16.0%18.0%, Mn0.5% , P0.10% , S0.02%。,适用条件：硝酸，硫酸、磷酸、醋酸、各种盐溶液和湿空气中。,注意：不适于氢氟酸、氟化物、卤素、碱、亚硫酸等介质。,图4-32含硅量对高硅铸铁 在10硫酸溶液（(80-C） 中腐蚀的影响,图4-33含硅量对铸铁在 盐酸溶液中腐蚀的影响 （试验时间100h),（二）含铝耐腐蚀铸铁,化学成分：4%6Al，1.5%1.8%Si。,金相组织:珠光体十铁素体石墨，有时还有少量的铝铁化合物 Fe3AI。,应用：作为制造重碳酸钠、氯化氨、碳